MFC的发展前景.pptx

第十二章第十二章 MFC的发展前景 李永峰李永峰 教授教授目录目录12.1 MFC的研究现状及前景的研究现状及前景 1 12.2 MFC的应用现状及前景的应用现状及前景 2MFC的基本结构的基本结构 vMFC的基本结构的基本结构与其他类型燃料与其他类型燃料电池类似，由阳极室和阴极室所组电池类似，由阳极室和阴极室所组成。根据阴极室结构的不同可分为成。根据阴极室结构的不同可分为单室型和双室型，根据两室间是否单室型和双室型，根据两室间是否存在交换膜又分为有膜型和无膜型。存在交换膜又分为有膜型和无膜型。4 4质子迁移质子迁移 3 3外电路电子传外电路电子传输输 1对能源输入，产出可实施量化处理1对能源输入，产出可实施量化处理2 2阳极还原阳极还原 1 1底物生物氧化底物生物氧化 5 5阴极反应阴极反应阴极反应阴极反应 MFC系统产电过程分解的系统产电过程分解的5个步骤个步骤 前两个步骤是整个反应的限速步骤，即电子的产生与传递前两个步骤是整个反应的限速步骤，即电子的产生与传递效率是影响效率是影响MFC 输出功率的最重要的因素。输出功率的最重要的因素。MFC的基础研究就是对这的基础研究就是对这5种产电机制的研究。种产电机制的研究。阳极还原阳极还原 外电路电子传输外电路电子传输 当负载较高时，电流较低，内部产生的电子足够用于外电路当负载较高时，电流较低，内部产生的电子足够用于外电路传输，故电流较稳定，内部消耗较小，且输出电压较高；传输，故电流较稳定，内部消耗较小，且输出电压较高；负载较低时，电流较高，内部电子的产生和传递速度低于外负载较低时，电流较高，内部电子的产生和传递速度低于外部电子传递，故电流变化较大，内部消耗较多，输出电压较部电子传递，故电流变化较大，内部消耗较多，输出电压较低。低。MFC的研究进展的研究进展 v目前目前MFC 产电机制研究仍产电机制研究仍处于起步阶段，处于起步阶段，电池输出功电池输出功率较其他电池技术差距较大，率较其他电池技术差距较大，严重制约实际应用严重制约实际应用。MFC的研究进展的研究进展吃肉的机器人吃肉的机器人 v是一种通过分解有机物质作为能源驱动力的机器是一种通过分解有机物质作为能源驱动力的机器人。原理如下图人。原理如下图微生物传递电子的形式微生物传递电子的形式 v目前为止，微生物传递电子的形式大致分为两种：目前为止，微生物传递电子的形式大致分为两种：直接进行电子传递和利用介体进行电子传递，如直接进行电子传递和利用介体进行电子传递，如图。图。底物的种类底物的种类 底物类型底物类型 浓度浓度 微生物微生物 阳极材料阳极材料 MFC类型类型 功率密度功率密度/mWm-2 乙酸盐乙酸盐 1g.L-1 RhodocyclaceaeBurkholderiaceae 碳毡碳毡 单室单室 3650丁酸盐丁酸盐 1g.L-1 碳纸碳纸 单室单室 349 葡萄糖葡萄糖 500mg.L-1 碳布碳布 单室单室 1540乳糖乳糖 200mg.L-1 Geobacter sulfurreducensBetaproteobacterialBacteroidetesDeltaproteobacteria 碳纸碳纸 两室两室 524.7 纤维素纤维素 1g.L-1 Clostridium cellululolyticumGeobacter sulfurreducens 石墨板石墨板 两室两室 143乙醇乙醇 70mg.L-1 Proteobacterium Core-1Azoarcus sp.Desulfuromonas sp.M76 碳纸碳纸 单室单室48812 底物类型底物类型 浓度浓度 微生物微生物 阳极材料阳极材料 MFC类型类型 功率密度功率密度/mWm-2 半胱氨酸半胱氨酸 770mg.L-1 Shewanella spp.碳纸碳纸 两室两室39淀粉淀粉 10g.L-1 Clostridium butyricum 石墨石墨 两室两室2600 苯酚苯酚 400mg.L-1 碳纸碳纸 两室两室6生活污水生活污水 450-470mg.L-1 石墨碳刷石墨碳刷 单室单室422 酒厂废水酒厂废水 2240mg.L-1 碳布碳布 单室单室528 造纸厂废水造纸厂废水 2.452g.L-1 石墨碳刷石墨碳刷 单室单室67227 底物的种类底物的种类 底物对底物对MFC 产电能力的影响产电能力的影响 微生物氧化底物传递电子的能力直接影响着微生物氧化底物传递电子的能力直接影响着MFC 的电能转化效的电能转化效率。底物的种类、浓度等实验条件的不同，会导致电流、功率率。底物的种类、浓度等实验条件的不同，会导致电流、功率密度、污染物去除效率等的不同。密度、污染物去除效率等的不同。在各种碳源培养的在各种碳源培养的MFC 中，中，菌群结构的差异和多种电子菌群结构的差异和多种电子传递机制，影响了传递机制，影响了MFC 产产电效率的高低。如在相似的电效率的高低。如在相似的实验装置下，乙酸盐为底物实验装置下，乙酸盐为底物的的MFC 的功率密度为的功率密度为506 mW/m2，而生活污水的，而生活污水的MFC 的功率密度为的功率密度为146 mW/m2。底物的浓度会限制溶液中底物的浓度会限制溶液中的氧化还原反应，从而影的氧化还原反应，从而影响电流的输出。响电流的输出。Mohan 等报道了以水体作为碳源等报道了以水体作为碳源的底物浓度对功率输出的的底物浓度对功率输出的影响，水体中有机物含量影响，水体中有机物含量越高，其功率输出也越高。越高，其功率输出也越高。Jadhav 等也通过实验指等也通过实验指出了在一定的出了在一定的COD 范围范围内电流与底物去除的线性内电流与底物去除的线性关系。关系。底物化学能的转化底物化学能的转化 贮存在有机物中的能贮存在有机物中的能量通过一系列脱氢反量通过一系列脱氢反应被传递。自有机物应被传递。自有机物脱下的氢最终可与分脱下的氢最终可与分子氧、有机物或无机子氧、有机物或无机物等氢受体相结合，物等氢受体相结合，将释放出的能量转化将释放出的能量转化为电能。为电能。有机物的有机物的氧化放能氧化放能 底物化学能的转化底物化学能的转化 在有氧呼吸的作用下，底物被氧化，释放出的电子经过完整在有氧呼吸的作用下，底物被氧化，释放出的电子经过完整的电子传递系统，传递给最终外源电子受体的电子传递系统，传递给最终外源电子受体-分子氧，从而分子氧，从而生成水并释放出能量，有氧呼吸是获得能量最多的一条途径。生成水并释放出能量，有氧呼吸是获得能量最多的一条途径。无氧呼吸是无氧条件下，释放出的电子经过部分电子传递系统，无氧呼吸是无氧条件下，释放出的电子经过部分电子传递系统，最终的电子受体不是氧分子，而是氧化态的无机物或有机物。由最终的电子受体不是氧分子，而是氧化态的无机物或有机物。由于无氧呼吸所经过的电子传递系统要比有氧呼吸的短，因此获得的于无氧呼吸所经过的电子传递系统要比有氧呼吸的短，因此获得的能量也比较少。能量也比较少。在缺少外源电子受体时，许多微生物会以发酵的形式降解底物，在缺少外源电子受体时，许多微生物会以发酵的形式降解底物，在这一过程中，电子载体将释放出的电子直接传递给底物降解后的在这一过程中，电子载体将释放出的电子直接传递给底物降解后的内源性中间产物，如丙酮酸、乳酸等，由于作为电子受体的中间内源性中间产物，如丙酮酸、乳酸等，由于作为电子受体的中间产物是分解不彻底的有机物，获得的能量也低于有氧呼吸。产物是分解不彻底的有机物，获得的能量也低于有氧呼吸。未来微型燃料电池的发展未来微型燃料电池的发展 vMFC技术已经与广泛且成熟的应用于商业的厌氧沼气技术已经与广泛且成熟的应用于商业的厌氧沼气池消化技术构成了竞争池消化技术构成了竞争。微生物燃料电池自身潜在的。微生物燃料电池自身潜在的优点使其具有较好的发展前景，但要作为电源应用于优点使其具有较好的发展前景，但要作为电源应用于实际生产与生活还较遥远，主要原因是输出功率密度实际生产与生活还较遥远，主要原因是输出功率密度远远不能满足实际要求。远远不能满足实际要求。v微生物可作为纯培养物或混合培养物来形成一种相互微生物可作为纯培养物或混合培养物来形成一种相互作用的微生物团提供更好的性能。作用的微生物团提供更好的性能。虽然在虽然在MFC研究方研究方面积累了一些基本知识，但在面积累了一些基本知识，但在MFC大范围的应用方面大范围的应用方面还有很多值得学习并且有很大提升空间。还有很多值得学习并且有很大提升空间。未来微型燃料电池的发展未来微型燃料电池的发展 v生物体系缓慢的电子传递速率是微生物燃料电池发展生物体系缓慢的电子传递速率是微生物燃料电池发展的瓶颈。的瓶颈。MFC的利用领域极其优越性的利用领域极其优越性 Diagram发电，发电，通过加入微生物通过加入微生物MFC可以将可以将储存在生物化学化合物中的化学能储存在生物化学化合物中的化学能转化成为电能。转化成为电能。生物制取氢气生物制取氢气 废水处理，城市污水中含有大量可作废水处理，城市污水中含有大量可作为为MFC原料的有机化合物。原料的有机化合物。Add Your Add Your TitleTitle生物检测器，生物检测器，污染分析检测和原地污染分析检测和原地处理监测控制。处理监测控制。MFC的应用将在以下方面起着重要作用的应用将在以下方面起着重要作用废水处理废水处理为海底电力设备提供电能为海底电力设备提供电能生物修复生物修复纳米电子学纳米电子学生物医学领域生物医学领域产电微生物的多样性以及高效产电菌的筛选分离产电微生物的多样性以及高效产电菌的筛选分离或基因工程菌的构建或基因工程菌的构建产电呼吸代谢中有机物的生物氧化过程产电呼吸代谢中有机物的生物氧化过程.通过基因工程改变通过基因工程改变细胞中心代谢路径以加快产电呼吸速率是研究的重点；利用细胞中心代谢路径以加快产电呼吸速率是研究的重点；利用分子手段分析电子传递链的组成，是未来研究的难点。分子手段分析电子传递链的组成，是未来研究的难点。电极还原，即电子向阳极传递的具体途径电极还原，即电子向阳极传递的具体途径拓展基于产电呼吸的拓展基于产电呼吸的MFC的应用领域的应用领域从四个方面加强产电呼吸代谢的研究从四个方面加强产电呼吸代谢的研究 化工废水化工废水化工废水的基本特征为极高的化工废水的基本特征为极高的COD、高盐度、高盐度、对微生物有毒性，是典型的难降解废水。而经对微生物有毒性，是典型的难降解废水。而经实验表明：微生物燃料电池能有效地去除化工实验表明：微生物燃料电池能有效地去除化工废水中废水中COD、硝基苯酚等成分。、硝基苯酚等成分。微生物燃料电池处理废水工艺的应用研究微生物燃料电池处理废水工艺的应用研究 4 4食品加工废水食品加工废水2ThemeGallery is a Design Digital Content&Contents mall developed by Guild Design Inc.3 3畜牧养殖废水畜牧养殖废水 1对能源输入，产出可实施量化处理2ThemeGallery is a Design Digital Content&Contents mall developed by Guild Design Inc.7微生物燃料电池微生物燃料电池处理废水的研究处理废水的研究方向方向 2 2制药废水制药废水 1 1化工废水化工废水 5 5垃圾渗滤液垃圾渗滤液 6 6含氮废水含氮废水 制药废水制药废水抗生素是一类临床用于治疗各种细菌感染或其抗生素是一类临床用于治疗各种细菌感染或其它致病微生物感染的重要药物，该类药物抗氧它致病微生物感染的重要药物，该类药物抗氧化性强，对微生物生长的抑制性强，难以生物化性强，对微生物生长的抑制性强，难以生物降解，它的大量生产、消费和使用，对环境带降解，它的大量生产、消费和使用，对环境带来了严重的污染。而经实验表明：微生物燃料来了严重的污染。而经实验表明：微生物燃料电池能有效地降解某些抗生素。电池能有效地降解某些抗生素。畜牧养殖废水畜牧养殖废水v牲畜废水含有大量的有机物，是非常牲畜废水含有大量的有机物，是非常适合使用适合使用MFC技术进行处理的一种废技术进行处理的一种废水。水。食品加工废水食品加工废水v食品工业废水的特点是有机物食品工业废水的特点是有机物质和悬浮物含量高，一般无大的质和悬浮物含量高，一般无大的毒性。而经实验表明：微生物燃毒性。而经实验表明：微生物燃料电池能有效地处理食品加工废料电池能有效地处理食品加工废水。水。垃圾渗滤液垃圾渗滤液城市垃圾填埋场渗滤液是一种成分复杂的高浓城市垃圾填埋场渗滤液是一种成分复杂的高浓度有机废水，其度有机废水，其BOD5和和COD浓度高、重金属浓度高、重金属含量较高、氨氮的含量较高，若不加处理而直含量较高、氨氮的含量较高，若不加处理而直接排入环境，会造成严重的环境污染。而经实接排入环境，会造成严重的环境污染。而经实验表明：微生物燃料电池能有效地去除垃圾渗验表明：微生物燃料电池能有效地去除垃圾渗滤液中的有机物。滤液中的有机物。微生物燃料电池处理废水的研究方向微生物燃料电池处理废水的研究方向1对微生物产电机对微生物产电机对微生物产电机对微生物产电机理进行深入研究，理进行深入研究，理进行深入研究，理进行深入研究，以提高微生物的以提高微生物的以提高微生物的以提高微生物的电子传递效率，电子传递效率，电子传递效率，电子传递效率，或是寻找更高电或是寻找更高电或是寻找更高电或是寻找更高电化学活性的微生化学活性的微生化学活性的微生化学活性的微生物物物物 2进一步优化反应进一步优化反应器的结构；寻求器的结构；寻求新型高效的电极新型高效的电极材料材料 3深入开展深入开展MFCMFC处处理各类典型工业理各类典型工业废水、生活污水废水、生活污水的工艺条件和降的工艺条件和降解机理研究。解机理研究。实现实现MFC的实际应用，关键问题是提高其产电能力和废水中污染物的实际应用，关键问题是提高其产电能力和废水中污染物的去除效率。建议今后主要开展以下研究：的去除效率。建议今后主要开展以下研究：传统生物脱氮理论认为传统生物脱氮理论认为 MFC 脱氮原理分析脱氮原理分析vMFC 阳极氧化有机物产生的电子传递到阴极室后，能够阳极氧化有机物产生的电子传递到阴极室后，能够将阴极的硝酸盐还原为氮气，一般认为此过程经过下述将阴极的硝酸盐还原为氮气，一般认为此过程经过下述4 步：步：vNO3-+2e-+2H+NO2-+H2OvE0=+0.433V vs SHE vNO2-+e-+2H+NO+H2OvE0=+0.350V vs SHE vNO+e-+H+1/2 N2O+1/2 H2OvE0=+1.175V vs SHE v1/2 N2O+e-+H+1/2 N2+1/2 H2OvE0=+1.355V vs SHE MFC 脱氮单元结构设计脱氮单元结构设计Virdis MFC 环形体系环形体系 MFC 脱氮单元结构设计脱氮单元结构设计Virdis 同步硝化反硝化同步硝化反硝化MFC MFC 脱氮单元结构设计脱氮单元结构设计Xie 两种不同功能结合的生物阴极两种不同功能结合的生物阴极MFC